En ny modell tar forskare ett steg närmare att förstå vilka typer av ljussignaler som produceras när två supermassiva svarta hål, som är miljoner till miljarder gånger solens massa, spiral mot en kollision. För första gången, en ny datasimulering som fullt ut innehåller de fysiska effekterna av Einsteins allmänna relativitetsteori visar att gas i sådana system kommer att lysa övervägande i ultraviolett och röntgenljus.

Nästan varje galax i storleken på vårt eget Vintergatan eller större innehåller ett monster svart hål i mitten. Observationer visar att galaxfusioner förekommer ofta i universum, men än så länge har ingen sett en sammanslagning av dessa gigantiska svarta hål.

"Vi vet att galaxer med centrala supermassiva svarta hål kombineras hela tiden i universum, men vi ser bara en liten bråkdel av galaxer med två av dem nära sina centrum, "sa Scott Noble, en astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Paren vi ser avger inte starka gravitationsvågssignaler eftersom de är för långt ifrån varandra. Vårt mål är att-med ljus ensam-identifiera ännu närmare par från vilka gravitationsvågssignaler kan detekteras i framtida."

Ett dokument som beskriver teamets analys av den nya simuleringen publicerades tisdag, 2 oktober i Astrofysisk tidskrift och är nu tillgänglig online.

Forskare har upptäckt sammanslagning av svarta hål med stjärnmassa-som sträcker sig från cirka tre till flera dussin solmassor-med hjälp av National Science Foundation Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Gravitationsvågor är rymd-tids krusningar som färdas med ljusets hastighet. De skapas när massiva kretsande föremål som svarta hål och neutronstjärnor spiraler ihop och smälter samman.

Supermassiva sammanslagningar blir mycket svårare att hitta än deras kusiner med stjärnmassa. En anledning till att markbaserade observatorier inte kan upptäcka gravitationella vågor från dessa händelser är att jorden själv är för bullrig, skakningar från seismiska vibrationer och gravitationella förändringar från atmosfäriska störningar. Detektorerna måste vara i rymden, som Laser Interferometer Space Antenna (LISA) som leds av ESA (European Space Agency) och planeras för lansering på 2030 -talet. Observatorier övervakar uppsättningar av snabbt snurrande, superdensa stjärnor som kallas pulsarer kan upptäcka gravitationella vågor från monsterfusioner. Som fyrar, pulsarer avger regelbundet tidsstrålar av ljus som blinkar in och ur sikte när de roterar. Gravitationsvågor kan orsaka små förändringar i tidpunkten för dessa blixtar, men hittills har studier inte gett några upptäckter.

Men supermassiva binärer som närmar sig kollision kan ha en sak som stjärnmassa binärer saknar-en gasrik miljö. Forskare misstänker att supernova -explosionen som skapar ett starkt svart hål blåser också bort det mesta av den omgivande gasen. Det svarta hålet förbrukar det lilla som återstår så snabbt att det inte finns mycket kvar att lysa när sammanslagningen sker.

Supermassiva binärer, å andra sidan, resultat av galaxfusioner. Varje överdimensionerat svart hål tar med sig ett följe av gas- och dammmoln, stjärnor och planeter. Forskare tror att en galaxkollision driver mycket av detta material mot de centrala svarta hålen, som konsumerar det på en tidsskala som liknar den som behövs för att binären ska gå samman. När de svarta hålen närmar sig, magnetiska och gravitationskrafter värmer den återstående gasen, producerande lätta astronomer borde kunna se.

"Det är mycket viktigt att fortsätta på två spår, "sa medförfattaren Manuela Campanelli, chef för Center for Computational Relativity and Gravitation vid Rochester Institute of Technology i New York, som startade detta projekt för nio år sedan. "Att modellera dessa händelser kräver sofistikerade beräkningsverktyg som inkluderar alla fysiska effekter som produceras av två supermassiva svarta hål som kretsar runt varandra med en bråkdel av ljusets hastighet. Att veta vilka ljussignaler som kan förväntas av dessa händelser hjälper moderna observationer att identifiera dem. Modellering och observationer kommer sedan att matas in i varandra, hjälper oss att bättre förstå vad som händer i de flesta galaxers hjärtan. "

Den nya simuleringen visar tre banor av ett par supermassiva svarta hål bara 40 banor från sammanslagning. Modellerna avslöjar att ljuset som släpps ut i detta skede av processen kan domineras av UV-ljus med några högenergiröntgenstrålar, liknande det som ses i någon galax med ett välmatat supermassivt svart hål.

Tre regioner med ljusemitterande gas lyser när de svarta hålen smälter samman, alla anslutna med strömmar av het gas:en stor ring som omger hela systemet, kallade cirkumbinära disken, och två mindre runt varje svart hål, kallas minidiskar. Alla dessa föremål avger övervägande UV -ljus. När gas rinner in i en minidisk med hög hastighet, diskens UV -ljus interagerar med varje svart håls korona, ett område med högenergi subatomära partiklar ovanför och under skivan. Denna interaktion producerar röntgenstrålar. När ackumuleringsgraden är lägre, UV-ljus dämpas relativt röntgenstrålarna.

Baserat på simuleringen, forskarna förväntar sig att röntgenstrålar från en nära sammanslagning kommer att bli ljusare och mer variabla än röntgenstrålar sett från enstaka supermassiva svarta hål. Ändringstakten kopplar till både orbitalhastigheten för gas som är belägen vid den inre kanten av den cirkumbinära skivan såväl som den sammanslagna svarta hålens.

"Hur båda svarta hålen avböjer ljus ger upphov till komplexa linseffekter, som sett i filmen när det ena svarta hålet passerar framför det andra, "sa Stéphane d'Ascoli, doktorand vid École Normale Supérieure i Paris och huvudförfattare till tidningen. "Några exotiska funktioner kom som en överraskning, som ögonbrynsformade skuggor som ett svart hål ibland skapar nära den andra horisonten. "

Simuleringen kördes på National Center for Supercomputing Applications Blue Waters superdator vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Att modellera tre banor i systemet tog 46 dagar den 9, 600 datorkärnor. Campanelli sa att samarbetet nyligen fick ytterligare tid på Blue Waters för att fortsätta utveckla sina modeller.

Den ursprungliga simuleringen uppskattade gastemperaturer. Teamet planerar att förfina sin kod för att modellera hur ändrade parametrar i systemet, som temperatur, distans, total massa och ackumuleringsgrad, påverkar det utsända ljuset. De är intresserade av att se vad som händer med gas som reser mellan de två svarta hålen samt modellera längre tidsintervaller.

"Vi måste hitta signaler i ljuset från supermassiva binära bin i svarta hål som är så distinkta att astronomer kan hitta dessa sällsynta system bland massorna av ljusa enkla supermassiva svarta hål, "sa medförfattaren Julian Krolik, en astrofysiker vid Johns Hopkins University i Baltimore. "Om vi ​​kan göra det, vi kanske kan upptäcka sammansmältning av supermassiva svarta hål innan de ses av ett rymdbaserat gravitationsvågsobservatorium. "